接觸角法在測量高分子材料表面能方面的應用研究

佟瞳

摘 要：在當前社會中，高分子材料是一種應用十分廣泛的材料之一，在各個領域中都發揮著非常重要的作用。在高分子材料中，表面能是一個較為關鍵的參數，因而在實際應用中可以采用接觸角法對高分子材料的表面能進行測量。基于此，本文針對幾種應用廣泛的高分子材料，選用一些相應的檢測液體，通過實驗的方式研究了接觸角法在測量高分子材料表面能方面的應用。

關鍵詞：接觸角法；高分子材料；表面能；應用研究

在高分子材料中，分子間力的一種主要體現就是表面自由能。在固體或液體表面，不平衡的分子間力會對分子造成影響，因而相比于內部分子，其具有一定的附加能量。在表面能中，大體上包含了Lewis酸-堿分量γAB、Lifshitz-vander Waals分量γLw等成分。根據擴展DLVO理論，在兩種物質或組分之間，相互作用的總自由能主要有van Oss-Chaudhury-Good界面極性相互作用自由能、Lifshitz-vander Waals相互作用自由能、靜電相互作用自由能等。

1 基本原理

對于固體表面能、液體表面能、固液界面相互作用自由能、固體表面模壓、平衡接觸角等，通過Youngs方程進行了描述，具體為γs-π0-γSL=γLcosθ。如果表面能較低可忽略，則方程可更改為γs-γSL=γLcosθ。固體表面能的方

程為，液體表面能的方程為

。通過對液體之間接觸角的測量，就能對固體表面能參數進行獲取。在實驗過程中，通常可以利用二次蒸餾水、甲酰胺、乙二醇、二碘甲烷、甘油等作為檢測液體。

2 實驗過程

在實驗過程中，對于聚合物的表面性質，采用數值平板進行研究，常用的高分子樹脂平板主要有聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯、丙烯腈/丁二烯/苯乙烯共聚物、聚苯乙烯、聚氯乙烯等。在實驗開始之前，裁剪平板面積到20mm×20mm的尺寸[1]。將保護膜撕掉之后，按順序在洗衣粉水、自來水、蒸餾水中，分別進行10min的超聲波清洗，然后在蒸餾水中進行5min的漂洗。漂洗之后，放置到濾紙上，在室溫條件下自然晾干，然后和濾紙共同放入硅膠干燥器中進行24h干燥。對固體表面液體的接觸角，采用潤濕角測量儀進行測量。在測量過程中，在固體表面3mm處，采用微量進樣器將檢測液體進行垂直滴加，滴液直徑為1～2mm，體積為3～5uL，保持1min以內的測量時間。座滴接觸角選擇10次測量的平均值，在實驗過程中應當確保在25℃左右的正常室溫下進行。

3 結果研究

對高分子樹脂材料的表面能參數，采用接觸角測量法能夠進行確定。通過公式能夠看出，在對固體表面能參數進行計算的過程中，采用3中表面能參數抑制的液體，并且對其在固體表面的接觸角進行測量，就能得出最終結果。在不同的高分子數值表面，利用5中檢測液體接觸角得到的表面能參數可以有10組[2]。

通過實驗得知，對于固體表面能的測量，在對接觸角法進行應用的過程中，在乙二醇、甲酰胺、水、二碘甲烷、甘油等檢測液體中，只需要對任意3中進行組合，都能得到基本一致的表面能參數，因此，在對固體表面特征進行體現的過程中可以對其平均值進行利用[3]。在不同組合的檢測液體中，在水-甘油-甲酰胺、甘油-甲酰胺-乙二醇、水-甲酰胺-乙二醇、甲酰胺-二碘甲烷-乙二醇、甘油-甲酰胺-二碘甲烷、水-甘油-乙二醇等組合中，有一定的幾率出現較大的離差。因此，在實驗的過程中不應采用非極性液體、Lewis酸堿中性的液體，與其他極性液體進行組合，也不可采用3中Lewis堿進行組合實驗。較為理想的檢測液體組合方法是乙二醇、甲酰胺、甘油等極性液體中的一種；非極性二碘甲烷；Lewis酸堿中性的水。采用這三種液體進行組合，能得到更為準確的高分子材料表面能。

接觸角法在測量高分子材料表面能的過程中，能夠取得較好效果的檢測液體組合主要包括水-乙二醇-二碘甲烷、水-甲酰胺-二碘甲烷、水-甘油-二碘甲烷等，對于聚合物的表面特征，都能夠進行較良好的體現。根據高分子材料的結構特點來看，主要包括非極性高分子材料和極性高分子材料。其中表面能較低的主要是PP、PE等非極性高分子材料[4]。而在PS分子中，只包含非極性的碳氫鍵和碳碳鍵，但是由于芳香族苯環在側鏈的影響，因而也體現出了極性的表面特點，同時和單極性表面十分相似。在一些其他的高分子材料中，分子當中包含氯、氮、氧等電負性原子，同時包括羥基、羰基、酯基等極性基以及芳香族非極性基，因此會反映出兩性特征。而在極性高分子材料中，PVC能夠呈現出較為明顯的兩性特征。

4 結論

作為當前社會中一種重要的材料，高分子材料在很多相關領域中都得到了十分廣泛的應用，同時也發揮了至關重要的作用。在實際應用中，高分子材料表面能作為一項重要的參數，必須進行明確。因此，可以采用接觸角法，選用合適的檢測液體組合，對高分子材料表面能進行準確的測量，從而更好地掌握高分子材料的性能和特征。

參考文獻

[1]張貴忠，梁文城，徐建鋒，等.純PETG和PETG/竹粉復合材料表面等離子體預處理的研究[J].福建林學院學報，2014，（2）：176-183.

[2]石強，欒世方，金晶，等.通用高分子材料的化學和生物改性及其血液相容性研究[J].中國材料進展，2014，（4）：212-223，253.

[3]趙文杰，陳子飛，莫夢婷，等.綠色海洋防污材料的表面構筑研究進展[J].中國表面工程，2014，（5）：14-31.

[4]李楠楠，李國祿，王海斗，等.表面自由能的計算方法及其對材料表面性能影響機制的研究現狀[J].材料導報，2015，（11）：30-35，40.

（作者單位：湖北工程學院新技術學院）